196 激光生物学报 第25卷 2010年本人与黄伟国团队通过对卟啉配体外环由于低配位数造成的溶剂猝灭效应,这种水溶性修 进行氟化和水溶性修饰,开发了一种水溶性近红外饰的β内脂卟啉镱[I配合物同样呈现出较弱的近 发光较强的线粒体靶向卟啉镱[I]配合物Yb-2(图红外发光特征,但是这种配位作用较弱的溶剂可以 4)20。Yb2可直接溶于水中,并展现出较强的可见被特定的生物分子取代配位,从而排除溶剂的猝灭 发光(650mm)和强的近红外发光(1060mm),发光效应,恢复其近红外发光,实现检测目标分子的目 寿命18.1μs,发光效率达2.5%,这是目前所报到的的。本文根据此概念,利用一种水溶性的乙酰丙酮β 在水相介质中最大的近红外发光效率。同时,Y2内脂卟啉镱[Ⅲ]配合物3,实现了对葡萄糖酶的特 具有非常良好的非线性光学特征,在860mm飞秒激异性近红外检测(图5)。 光照射下,双光子吸收截面达375GM。之前尚未见 有近红外稀土发光具有双光子激发特征。利用双光 子近红外光激发,可实现近红外光激发下的近红外 发射,这种探针在生物成像领域具有重大应用价值 和前景。同时,研究表明,Yb-2在生物环境介质中非 常稳定,不会发生金属离子的解离。另外,Yb-2由于 罗丹明B的线粒体导向作用,可实现良好的细胞线 粒体靶向成像,由于卟啉吸收的能量被稀土离子镱 [II]吸收,使卟啉配体与单线态氧之前的能量传递 6003+60x 发生猝灭,因此,Yb-2没有发现任何细胞光毒性以及 4000 暗毒性。这些实验结果表明,Yb-2是一种良好的线 粒体靶向的近红外生物探针,具有重大的应用前景。 900950100010501100 图5水溶性近红外敏化增强的内脂卟啉镱[Ⅲ]配 - 合物及葡萄糖酶(GOx)的近红外检测 Fig 5 Ytterbium( Ill)porpholactones: B-lactonization Yb-2 of porphyrin ligands enhances sensitization efficiency of 6000 Yb-2 in Ho(l u M) lanthanide near-infrared luminescence 5000 3结语与展望 稀土卟啉近红外发光配合物在生命科学领域中 的应用研究尚处于起步阶段,如何进一步提高稀土 卟啉配合物在水溶液中的近红外发光量子产率仍然 1000 1200 Wavelength/ nm 是当前面临的主要挑战。改变卟啉配体的结构,调 图4一种强近红外发光的水溶性线粒体靶向代 控其激发态能级是最有效直接的方案。从目前研究 卟啉叫镱探针Yb-2 结果看,改变卟啉环外围芳香环取代基对提高稀土 Fig 4 Water-soluble mitochondria-specific ytterbium 卟啉配合物的量子效率有一定的效果,但还不能实 现飞跃式的提高,而改变卟啉内环的结构,可望实现 能级的最优匹配,获得近红外发光量子产率的大幅 最近,张俊龙团队改变卟啉内环的结构,报道了提高。另一方面,在生命科学领域中的应用研究范 系列近红外发光较强的乙酰丙酮β内脂卟啉镱围还有待进一步拓展。未来,随着有机化学、配位和 I配合物21,这种配合物相比于普通的卟啉镱超分子化学、光物理学、影像学、医疗诊断和治疗以 [Ⅲ冂]配合物,其近红外发光效率提高了50%-120%。及生物技术等学科的发展进步,稀土卟啉近红外发２０１０年本人与黄伟国团队通过对卟啉配体外环 进行氟化和水溶性修饰，开发了一种水溶性近红外 发光较强的线粒体靶向卟啉镱［ＩＩＩ］配合物 Ｙｂ２（图 ４）［２０］。Ｙｂ２可直接溶于水中，并展现出较强的可见 发光（６５０ｎｍ）和强的近红外发光（１０６０ｎｍ），发光 寿命 １８．１μｓ，发光效率达 ２．５％，这是目前所报到的 在水相介质中最大的近红外发光效率。同时，Ｙｂ２ 具有非常良好的非线性光学特征，在 ８６０ｎｍ飞秒激 光照射下，双光子吸收截面达 ３７５ＧＭ。之前尚未见 有近红外稀土发光具有双光子激发特征。利用双光 子近红外光激发，可实现近红外光激发下的近红外 发射，这种探针在生物成像领域具有重大应用价值 和前景。同时，研究表明，Ｙｂ２在生物环境介质中非 常稳定，不会发生金属离子的解离。另外，Ｙｂ２由于 罗丹明 Ｂ的线粒体导向作用，可实现良好的细胞线 粒体靶向成像，由于卟啉吸收的能量被稀土离子镱 ［ＩＩＩ］吸收，使卟啉配体与单线态氧之前的能量传递 发生猝灭，因此，Ｙｂ２没有发现任何细胞光毒性以及 暗毒性。这些实验结果表明，Ｙｂ２是一种良好的线 粒体靶向的近红外生物探针，具有重大的应用前景。 图 ４ 一种强近红外发光的水溶性线粒体靶向氟代 卟啉［ＩＩＩ］ 镱探针 Ｙｂ２ Ｆｉｇ．４ Ｗａｔｅｒｓｏｌｕｂｌｅｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｓｐｅｃｉｆｉｃｙｔｔｅｒｂｉｕｍ ｃｏｍｐｌｅｘｗｉｔｈｉｍｐｒｅｓｓｉｖｅＮＩＲｅｍｉｓｓｉｏｎ 最近，张俊龙团队改变卟啉内环的结构，报道了 一系列近红外发光较强的乙酰丙酮 β内脂卟啉镱 ［ＩＩＩ］配合物［２１］，这种配合物相比于普通的卟啉镱 ［ＩＩＩ］配合物，其近红外发光效率提高了 ５０％１２０％。 由于低配位数造成的溶剂猝灭效应，这种水溶性修 饰的 β内脂卟啉镱［ＩＩＩ］配合物同样呈现出较弱的近 红外发光特征，但是这种配位作用较弱的溶剂可以 被特定的生物分子取代配位，从而排除溶剂的猝灭 效应，恢复其近红外发光，实现检测目标分子的目 的。本文根据此概念，利用一种水溶性的乙酰丙酮 β 内脂卟啉镱［ＩＩＩ］配合物 ３，实现了对葡萄糖酶的特 异性近红外检测（图 ５）。 图 ５ 水溶性近红外敏化增强的内脂卟啉镱［ＩＩＩ］配 合物及葡萄糖酶（ＧＯｘ）的近红外检测 Ｆｉｇ．５ Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ（ＩＩＩ）ｐｏｒｐｈｏｌａｃｔｏｎｅｓ：βｌａｃｔｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｐｏｒｐｈｙｒｉｎｌｉｇａｎｄｓｅｎｈａｎｃｅｓｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ ｌａｎｔｈａｎｉｄｅｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ３ 结语与展望 稀土卟啉近红外发光配合物在生命科学领域中 的应用研究尚处于起步阶段，如何进一步提高稀土 卟啉配合物在水溶液中的近红外发光量子产率仍然 是当前面临的主要挑战。改变卟啉配体的结构，调 控其激发态能级是最有效直接的方案。从目前研究 结果看，改变卟啉环外围芳香环取代基对提高稀土 卟啉配合物的量子效率有一定的效果，但还不能实 现飞跃式的提高，而改变卟啉内环的结构，可望实现 能级的最优匹配，获得近红外发光量子产率的大幅 提高。另一方面，在生命科学领域中的应用研究范 围还有待进一步拓展。未来，随着有机化学、配位和 超分子化学、光物理学、影像学、医疗诊断和治疗以 及生物技术等学科的发展进步，稀土卟啉近红外发 １９６ 激 光 生 物 学 报 第 ２５卷